ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO TRAÇADOR DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE TRANSISTORES DE JUNÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO

TRAÇADOR DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE TRANSISTORES DE JUNÇÃO BIPOLAR (BJT) E DE EFEITO DE CAMPO (FET)

Autor:

Daniel Teixeira Duarte

Orientador:

Prof. Joarez Bastos Monteiro, D.Sc.

Examinador:

Prof. Fernando Antônio Pinto Barúqui, D.Sc.

Examinador:

Prof. Ricardo Rhomberg Martins, D.Sc.

DEL Março de 2008

Dedicatória

Agradecimentos

Aos professores do curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da UFRJ, que se dedicaram para me passar todo o seu conhecimento.

Aos amigos que conquistei durante esses cinco anos de faculdade e que sempre pude contar nas horas de aperto. Esses que também participaram das horas mais alegres desse período, durante diversas festas, churrascos e viagens.

Aos amigos de longa data, que mesmo sem ter muito contato nesses cinco anos, continuam os mesmos de outrora.

À minha namorada Flavia, por ter que aturar minhas horas de estudo e estresse e sempre apoiar as minhas decisões.

À minha família: José Ernesto, Maria Bernarda e Felipe, por terem me acompanhado durante esses anos, sempre me dando apoio nas horas difíceis.

Ao pessoal do Projeto Minerva, por terem cedido gentilmente um espaço para que eu pudesse realizar os testes do equipamento na Faculdade com toda a infraestrutura necessária.

Resumo

O projeto do “traçador de curvas” consiste em um equipamento para traçar alguns gráficos característicos dos transistores, assim como medir alguns de seus parâmetros. Esse equipamento foi desenvolvido para suportar tanto transistores de junção bipolar, BJT, quanto transistores de efeito de campo, FET (MOSFET e JFET).

O equipamento consiste de uma interface, onde será encaixado o transistor a ser testado, conectada a um computador onde será instalado um software dedicado. A comunicação entre esses dois elementos é feita através da porta serial do computador.

Para os transistores bipolares, as curvas a serem traçadas serão: IC x VCE e hFE x IC, e os

parâmetros a serem calculados serão: hFE, hfe, hie, hoe, gm e ro.

Para os transistores de efeito de campo, a curva a ser traçada será: ID x VDS e os

parâmetros a serem calculados serão: gm e ro.

Essas informações são úteis para o projetista na investigação de problemas em circuitos envolvendo transistores e também ajudam na compreensão destes dispositivos por alunos iniciantes.

Palavras-Chave

Índice

2.2. Processos para as Medidas dos Parâmetros ...17

2.3. Circuitos ...20 2.3.1. Fonte de Corrente IB... 20 2.3.2. Fonte de Tensão Vbb... 22 2.3.3. Fonte de Tensão Vcc... 25 2.3.4. Fonte de Tensão VG... 27 2.3.5. Medidor de Corrente IE... 28 2.3.6. Fonte de Alimentação... 30 2.4. Microcontrolador ...31 2.5. Software...36 2.6. Softwares Utilizados...48 3. Construção do Equipamento...51 4. Conclusão ...60 5. Bibliografia...62 6. Referências Extras ...63

Anexo I - Circuito Completo ...64

Índice de Figuras

Figura 2.1 - Tipos e símbolos do BJT ... 4

Figura 2.2 - Variação do β com IC e temperatura ... 5

Figura 2.3 - Curva Característica do BJT ... 6

Figura 2.4 - Curvas Características do Transistor ... 6

Figura 2.5 - Quadripolo ... 7

Figura 2.6 - Modelo do Transistor Utilizando Parâmetros Híbridos... 9

Figura 2.7 - BJT como Amplificador (Emissor-Comum) ... 9

Figura 2.8 - Tensão de Early ... 12

Figura 2.9 - O Modelo π-Híbrido ... 13

Figura 2.10 - Tipos e Símbolos do MOSFET... 14

Figura 2.11 - Curva Característica (iD - vDS) ... 15

Figura 2.12 - Modelos de pequenos sinais para o MOSFET... 16

Figura 2.13 - Tipos e Símbolos do JFET... 16

Figura 2.14 - Circuitos Propostos BJT e FET ... 17

Figura 2.15 - IB (ou VGS) e VCE (ou VDS) ... 19

Figura 2.16 - Diagrama de Blocos... 20

Figura 2.17 - Fonte de Corrente IB... 21

Figura 2.18 - Fonte de Corrente IB com Push-Pull... 22

Figura 2.19 - Fonte de Tensão Vbb... 23

Figura 2.20 - Fonte de Tensão Vcc... 25

Figura 2.21 - Gerador de VG... 27

Figura 2.22 - Primeira parte do circuito medidor de VRE... 28

Figura 2.23 - Amplificador de Instrumentação para medida da queda de tensão em RE... 29

Figura 2.24 - Fonte de Alimentação ... 31

Figura 2.25 - Diagrama de Pinos do PIC16F877/ PIC16F877A ... 32

Figura 2.26 - PIC e a ligação com a Porta Serial... 33

Figura 2.27 - Conversão Analógica-Digital ... 35

Figura 2.28 - Potenciômetro Digital com Microcontrolador... 36

Figura 2.29 - Tela Inicial do Software... 37

Figura 2.31 - Gráfico IC x VCE... 42

Figura 2.32 - Gráfico ID x VDS... 42

Figura 2.33 - Gráfico IC x VCE com melhor resolução na região de saturação ... 43

Figura 2.34 - Gráfico hFE x IC... 44

Figura 2.35 - Cálculo de hoe e ro... 45

Figura 2.36 - Cálculo de hfe e gm... 47

Figura 2.37 - Cálculo de hie (rπ)... 48

Figura 3.1 - Animação 3D da Placa de Circuito Impresso ... 54

Figura 3.2 - Trilhas da Parte Superior da Placa... 55

Figura 3.3 - Trilhas da Parte Inferior da Placa ... 55

Figura 3.4 - Diagrama de Furos da Placa ... 56

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Descrição dos Parâmetros h ... 8

Tabela 2 - Configurações do ADC ... 34

Tabela 3 - String de Comando Enviada... 39

Tabela 4 - Tipo de Transistor ... 39

Tabela 5 - Faixa de Corrente IB ou de Tensão VGS... 40

Tabela 6 - Tensão Máxima de VCE ou VDS... 40

Tabela 7 - Tensão VCE ou VDS para Medida de hfe ou gm... 40

Tabela 8 - String de Retorno... 41

Tabela 9 - Medidas do BC548 (1) ... 52

Tabela 10 - Medidas do BC548 (2) ... 52

Tabela 11 - Medidas do TIP31 (1) ... 53

Tabela 12 - Medidas do TIP31 (2) ... 53

Tabela 13 - Medida do MPF102 (1) ... 53

Tabela 14 - Medidas do MPF102 (2) ... 53

Glossário, Abreviaturas, Siglas, Símbolos e Sinais

ADC – Analog to Digital Converter (Conversor Analógico - Digital).

Assembly – Linguagem de programação muito utilizada para microcontroladores. BJT – Bipolar Junction Transistor (Transistor de Junção Bipolar).

CI – Circuito Integrado.

DAC – Digital to Analog Converter (Conversor Digital - Analógico).

Driver – Programa desenvolvido para traduzir a linguagem de uma aplicação para outra linguagem.

EEPROM–Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (Memória somente de leitura eletricamente programável e apagável ).

FET – Field Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo). gm – Transcondutância do BJT/FET.

hFE – Ganho de Corrente DC do BJT (Modelo Híbrido).

hfe – Ganho de Corrente AC do BJT (Modelo Híbrido).

hie – Resistência Base-Emissor do BJT (Modelo Híbrido).

hoe – Condutância Coletor-Emissor do BJT (Modelo Híbrido).

ib – Corrente AC de Base do BJT.

IB – Corrente DC de Base do BJT.

iB – Soma das Correntes DC e AC de Base do BJT.

ic – Corrente AC de Coletor do BJT.

IC – Corrente DC de Coletor do BJT.

iC – Soma das Correntes DC e AC de Coletor do BJT.

id – Corrente AC de Dreno do FET.

iD – Soma das Correntes DC e AC de Dreno do FET.

ie – Corrente AC de Emissor do BJT.

IE – Corrente DC de Emissor do BJT.

iE – Soma das Correntes DC e AC de Emissor do BJT.

I2C - Inter-Intergrated Circuit. É um barramento serial bidirecional para computadores. Layout - Disposição dos elementos de um projeto gráfico.

MSSP - Master Synchronous Serial Port. É uma interface serial para troca de dados entre periféricos.

MIPS – Millions of Instructions Per Second (Milhões de Instruções Por Segundo). MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

Mux – Multiplex - Dispositivo cuja função é multiplexar sinais permitindo a sua transmissão em um mesmo meio de transmissão

Orcad Pspice - Software de simulação de circuitos eletrônicos baseado em SPICE. PC – Personal Computer – Computador pessoal.

PIC – Peripheral Interface Controller (Interface Controladora de Periféricos). Microcontroladores Fabricados pela Microchip Technology.

Proteus – Software de simulação de circuitos eletrônicos baseado em SPICE.

Protoboard - Placa com milhares de furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. Também conhecido como “Matriz de Contatos”. PWM – Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso.

RAM – Random Access Memory (Memória de acesso aleatório).

Ripple - Componente alternada que incide sobre uma fonte de corrente contínua.

RISC - Reduced Instruction Set Computer (Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções).

SPI - Serial Peripheral Interface. É um protocolo que permite a comunicação do microcontrolador com diversos outros componentes.

TTL – Transistor-Transistor Logic.

USART – Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter (Transmissor/Receptor Universal Síncrono e Assíncrono).

USB – Universal Serial Bus. É um tipo de conexão “Plug and Play” que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o computador.

VB – Visual Basic.

VT – Tensão Térmica – Aproximadamente 26mV @27°C.

1. Introdução

1.1.

Motivação

Ao final do curso de Engenharia Eletrônica e de Computação surgiu uma oportunidade e um desafio de desenvolver algo que realmente utilizasse todo o conhecimento adquirido ao longo desses anos. O projeto que foi desenvolvido utiliza o conhecimento tanto na área de eletrônica aplicada como na área de computação, já que o equipamento é constituído por um Hardware e um Software que atuam em conjunto e ainda é muito útil, pois servirá como mais um aparelho para o Laboratório de Ensino de Graduação (LEG).

1.2.

Objetivo

O objetivo desse projeto é conseguir levantar algumas características dos transistores que por ventura venham a ser utilizados em projetos ou mesmo práticas de laboratório do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação da UFRJ.

O equipamento deverá suportar uma grande gama de transistores, incluindo os transistores de junção bipolar (BJT – Bipolar Junction Transistor) e transistores de efeito de campo (FET – Field Effect Transistor).

O transistor a ser testado deverá ser encaixado ao equipamento que por sua vez será conectado a um computador via porta serial. Pelo computador, o usuário deverá selecionar qual tipo de transistor a ser utilizado, BJT (NPN-PNP), MOSFET (Canal N-Canal P) ou JFET (Canal N-Canal P). Deverá selecionar também, no caso de um BJT, a faixa de correntes que deverá ser aplicada à base e a tensão máxima de VCE e, no caso de um MOSFET ou JFET, a faixa de tensões

de VGS e tensão máxima de VDS.

A partir das escolhas do usuário, o programa envia ao circuito as configurações necessárias para realizar as medidas. Após realizar todas as medidas necessárias, o circuito envia para o programa todos os dados adquiridos, para que este possa calcular os parâmetros necessários assim como traçar as curvas características.

1.3.

Estrutura do Documento

Este documento está organizado em seis capítulos principais. O primeiro capítulo, introdução, apresenta a motivação para o desenvolvimento desse projeto, o objetivo a que esse projeto se propõe atingir e como esse documento está estruturado.

O segundo capítulo descreve o desenvolvimento do projeto. Nele haverá uma explicação teórica das características importantes dos dispositivos para situar o projeto. Essa explicação abrange a polarização e modelos de pequenos sinais.

Também no segundo capítulo serão explicados os processos de medidas dos parâmetros descritos na parte teórica. Os esquemas dos circuitos propostos para o BJT e para o FET serão apresentados assim como os métodos utilizados para realizar tais medidas.

Ainda no segundo capítulo será descrito todo o hardware do equipamento, como foi projetado e como funciona cada parte do circuito. Há uma explicação sobre o microcontrolador utilizado, sua arquitetura, suas características e motivo pelo qual foi escolhido para esse projeto.

A penúltima parte desse capítulo descreve o software desenvolvido, quais as escolhas que o usuário deve fazer, como ocorre a comunicação com o equipamento e quais gráficos e parâmetros serão gerados ou calculados.

Por último, haverá uma descrição de todos os softwares utilizados no projeto, incluindo os softwares de simulação, softwares de apoio ao desenvolvimento e o próprio software de desenvolvimento do programa principal.

O terceiro capítulo descreve como foi construído o equipamento. Nele é discutido como foi montado o protótipo, as dificuldades encontradas para a montagem e problemas como ruído e mau contato, os testes realizados, além do projeto da placa de circuito impresso, lista de materiais utilizados e a validação dos resultados obtidos com o protótipo.

No quarto capítulo, a conclusão, serão discutidos os resultados do projeto e quais mudanças podem ser realizadas futuramente para melhorar o aparelho, ou torná-lo mais moderno.

O quinto e sexto capítulos são a bibliografia e referências, que foram utilizadas para o desenvolvimento, e dúvidas do projeto.

2. Desenvolvimento

2.1.

Introdução Teórica

Histórico

O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947 por Bardeen e Brattain [1], e inicialmente demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, que receberam o prêmio Nobel da Física em 1956. Eles pretendiam fabricar um transistor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de 1925, mas acabaram por descobrir uma amplificação da corrente no ponto de contacto do transistor, isso evoluiu posteriormente para converter-se no transistor de junção bipolar (BJT). O objetivo do projeto era criar um dispositivo compacto e barato para substituir as válvulas termiônicas usadas nos sistemas telefônicos da época.

O transistor e outros componentes semicondutores eletrônicos similares constituem a base para o projeto de amplificadores e chaves estáticas, empregados em Eletrônica Digital e Microprocessadores, bem como em Conversores de Eletrônica de Potência. O comportamento do transistor pode ser explicado por meio de fontes controladas (corrente/corrente ou corrente/tensão – transcondutância). Os fenômenos relacionados com tais componentes permitem ainda fazer com que se comportem como diodos, capacitores, resistores e diversos tipos de fontes controladas, o que é a base para a implementação de circuitos integrados (CI’s ou chips).

O BJT

O nome bipolar para os transistores BJT, vem do fato do fluxo principal de elétrons atravessar dois tipos de semicondutor distintos. Os transistores BJT são dispositivos de três terminais: Base (B), Coletor (C) e Emissor (E). É um dispositivo controlado por corrente, em que uma pequena corrente de base (na ordem de µA ou mA para transistores de potência) consegue controlar uma corrente de coletor relativamente elevada que o atravessa (na ordem dos mA, chegando até as dezenas de Ampères). A corrente principal vai do coletor para o emissor (NPN)

ou do emissor para o coletor (PNP). A corrente de controle tem o sentido da base para o emissor (NPN) ou do emissor para a base (PNP). Na Figura 2.1 são apresentados os símbolos para o BJT.

Figura 2.1 - Tipos e símbolos do BJT

A diferença funcional entre o transistor do tipo NPN ou PNP é a polarização dos seus terminais quando em operação.

O BJT tem três correntes distintas, a corrente de base IB, a corrente de coletor IC e a

corrente de emissor IE, sendo a última a mais intensa e igual a soma das correntes de base IB e de

coletor IC. A corrente de base é muito pequena comparativamente com as outras.

Aplicando a lei de Kirchhoff dos nós ao transistor, tendo em conta que a corrente de coletor e a corrente de base juntam-se no emissor, deriva a formula:

B C

E

I

I

I

=

+

Como a corrente de base é muito pequena:

C E

I

I ≈

I

I >>

O parâmetro β (Beta) de um transistor, também chamando de hFE, define-se como sendo a

razão entre a correntes IC e IB e representa o ganho em corrente DC,

FE B C DC

h

I

I

_≡

=

β

O parâmetro β varia de transistor para transistor devido a fatores físicos de construção como o tamanho da região de base e o próprio processo de fabricação, e no mesmo transistor,

para diferentes temperaturas e polarizações. As especificações do fabricante costumam indicar um valor mínimo, típico e máximo para β. Uma curva típica da variação de β com IC e

temperatura é apresentada na Figura 2.2.

Figura 2.2 - Variação do β com IC e temperatura

O parâmetro β tem maior utilidade quando se considera o uso do transistor em amplificadores de sinal, pois demonstra o comportamento do transistor para alterações na tensão e corrente aplicadas.

A Figura 2.3 representa uma curva típica do transistor BJT para uma corrente de base constante: a corrente de coletor IC é nula para VCE igual a zero, se VCE aumentar a partir de zero,

a inclinação da reta de subida da corrente de coletor é grande até queatinja algumas centenas de milivolts, logo após IC torna-se praticamente constante. Quando a tensão VCE atinge um valor

muito alto (40V nesse caso da figura), acontece a disrupção do diodo de coletor. Nesta situação o transistor perde o comportamento normal e pode danificar-se.

Figura 2.3 - Curva Característica do BJT

A representação gráfica de curvas de coletor para diferentes valores de IC é chamada de

Curvas Características do Transistor (Figura 2.4). Esse tipo de representação é muito importante para estudar o comportamento do transistor e determinar a sua região de operação. A região ativa é a zona em que a junção de emissor está polarizada diretamente e a junção de coletor inversamente. Nesta zona de operação a corrente de coletor é proporcional à corrente de base. Esta zona é a região de operação linear do transistor, onde a amplificação de sinais é possível.

Figura 2.4 - Curvas Características do Transistor

A região de saturação corresponde à zona em que a tensão VCE varia entre zero e alguns

proporcional à tensão VCE. A região de corte corresponde à zona onde a corrente de base IB é

igual à zero, mas ainda existe uma pequena corrente de coletor IC (região logo acima do eixo x), a

esta corrente dá-se o nome de corrente de corte de coletor.

Resumindo, são quatro as zonas de operação do transistor: Ativa, Corte, Saturação e Disrupção. O funcionamento na zona ativa é aplicado quando se pretende a amplificação de sinais, as outras duas zonas, a saturação e o corte, são úteis em circuitos digitais na comutação de sinais e a zona de disrupção, como já foi dito anteriormente, deve ser evitada, pois corre o risco de dano ao transistor.

O Modelo de Pequenos Sinais

Quando polarizado na região ativa, o transistor BJT apresenta um comportamento linear e, como qualquer circuito linear, pode ser modelado como um quadripolo ([2], página 294). O modelo de pequenos sinais assim obtido permite fazer previsões teóricas importantes sobre o comportamento do circuito tais como: ganho e impedâncias de entrada e saída.

Um modelo bastante difundido e utilizado pelos fabricantes de transistores BJT é o modelo híbrido, caracterizado pelos parâmetros h. Esses parâmetros são obtidos tomando-se como variáveis independentes a corrente de base (ib) e a tensão de coletor (vce).

A Figura 2.5 representa a equivalência entre o circuito com transistor e o quadripolo:

Figura 2.5 - Quadripolo

O quadripolo pode ser caracterizado por vários tipos de matrizes, porém para esse modelo, utilizaremos a matriz H, que pode ser dada por:

      = oe re fe ie h h h h H

Dessa matriz podemos tirar as seguintes equações: ce re b ie be h i h v v = + (2.5) ce oe b fe c h i h v i = + (2.6)

Os valores de hie, hre, hfe e hoe, são conhecidos como parâmetros híbridos e podem ser

definidos individualmente da seguinte forma:

0 = ≡ ce v b be ie i v h 0 = ≡ b i ce be re v v h .... () 0 = ≡ ce v b c fe i i h 0 = ≡ b i ce c oe v i h (2.7)

A nomenclatura desses parâmetros segue de acordo com a Tabela 1:

Índice Descrição

i Entrada (input)

r Transferência Reversa (reverse transfer)

f Transferência Direta (forward transfer)

o Saída (output)

e Emissor Comum

Tabela 1 - Descrição dos Parâmetros h

Podemos, então, identificar esses parâmetros:

O parâmetro hfe equivale ao parâmetro βAC do transistor. Esse parâmetro é um dos mais

importantes do transistor e tem um valor próximo ao valor de βDC, que também pode ser chamado

de hFE, e que já foi definido anteriormente. Na Literatura é muito comum o uso de hfe, hFE e β,

com o mesmo significado.

O parâmetro hie representa a impedância de entrada vista pela base do transistor.

O parâmetro hoe equivale ao valor inverso da resistência de saída vista pelo coletor, ou

seja, a impedância de saída vale 1/hoe.

O parâmetro hre é muito pequeno e pode ser desprezado na maioria das análises, desta

Desta forma, então, o modelo do transistor fica da forma indicada na Figura 2.6:

Figura 2.6 - Modelo do Transistor Utilizando Parâmetros Híbridos

O modelo de pequenos sinais do transistor pode ser melhor entendido observando-se o circuito da Figura 2.7.

Figura 2.7 - BJT como Amplificador (Emissor-Comum)

A tesão base-emissor instantânea total vBE pode ser escrita como: be

BE

BE

V

v

v

=

+

Da mesma forma, a corrente do coletor pode ser escrita ([3], página 241):

T be V v C C

I

e

i

=

Onde VT, Tensão Térmica, é dado por ([3], página 126):

q kT

V_T = (2.10)

e:

k = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 joules/kelvin; T = temperatura absoluta em kelvin;

q = valor da carga do elétron = 1,60 x 10-19 Coulomb.

Considerando a temperatura ambiente em torno de 27°C, VT tem o valor aproximado de

26mV.

Se v <<_be V_T, a equação acima aproxima-se de ([3], página 241):













+

≈

V

v

I

i

1

Essa aproximação é referenciada como aproximação para pequenos sinais, e só é válida para valores de vbe menores que 10mV.

E pode ser reescrita como:

be T C C C

v

V

I

I

i

=

+

Podemos, então, deduzir que a componente de sinal da corrente de coletor é:

be T C c

v

V

I

i =

Essa equação relaciona a corrente de sinal no coletor a um sinal de tensão emissor-base e pode ser reescrita dessa forma:

be m

c

g

v

i =

Onde gm é chamada de transcondutância e é dada como ([3], página 241):

T C m

V

I

g =

Observamos que a transcondutância é proporcional à corrente de polarização do transistor. Logo, para obter um valor previsível e constante para gm, necessitamos de um valor constante e

previsível de IC.

Agora, para determinar a corrente de base vista por vbe, precisamos avaliar a corrente total

na base iB: be T C fe fe C fe C B

v

V

I

h

h

I

h

i

i

=

=

+

1

Também podemos deduzir que:

b B

B

I

i

i

=

+

Comparando as equações (2.16) e (2.17), observamos que a componente de sinal é dada por: be T C fe b

v

V

I

h

i

=

1

De acordo com a equação (2.15), temos que:

be fe m b

v

h

g

i =

A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, vista pela base, é definida por ([3], página 243):

b be ie

i

v

h ≡

Pela equação (2.19), temos:

m fe ie

g

h

h =

Substituindo gm pela equação (2.15), hie pode ser definido como: C T fe ie I V h h = (2.22)

Na região ativa, os BJTs apresentam uma dependência da corrente de coletor com a tensão de coletor. Dessa forma, suas curvas características (iC-vCE) não são retas horizontais

perfeitas (na região ativa).

Se extrapolarmos essas retas, elas se encontrarão em um ponto negativo do eixo vCE, em

vCE = -VA, esseponto é conhecido como tensão de Early, representado por VA.

Figura 2.8 - Tensão de Early

A inclinação das retas indica que a resistência de saída (ro) vista pelo coletor não é infinita

e é definida por: 0 = = b i c ce o i v r (2.23)

Comparando a equação (2.23) com a equação (2.7), representada novamente por conveniência: 0 = ≡ b i ce c oe v i h Tem-se que: oe o

h

r

=

1

O Modelo π-Híbrido:

Outra forma também utilizada para caracterizar o transistor é o modelo π-Híbrido, que pode ser representado pela Figura 2.9. Ele representa o BJT como uma fonte de corrente controlada por tensão (amplificador de transcondutância) e utiliza outra nomenclatura para as impedâncias de entrada e saída, denominadas, respectivamente como rπ e ro.

Figura 2.9 - O Modelo π-Híbrido

Comparando esse modelo π-híbrido com o híbrido h, temos que:

ie

h

r =

v =

v

h

r

=

1

r

h

g

=

É importante ressaltar que esse não é um modelo completo do transistor, ele só leva em conta a operação do transistor para pequenos sinais em baixas freqüências e em um ponto de polarização, alguns dos parâmetros que aparecem nesse modelo dependem da corrente de polarização IC, como gm e rπ.

Esse modelo serve tanto para transistores NPN quanto para transistores PNP, sem troca de polaridade.

O FET

O transistor de efeito de campo (FET) é, tal como o BJT, um dispositivo semicondutor, mas ao contrário deste último, a corrente que o atravessa é controlada por um campo elétrico.

Dentre as famílias de FETs: JFET e MOSFET, a mais comum é o MOSFET. Os terminais equivalentes ao emissor, base e coletor do BJT são, respectivamente, denominados fonte (S - Source), porta (G - Gate) e dreno (D - Drain) no FET. Nessa introdução teórica, daremos ênfase ao estudo do MOSFET para exemplificar os dispositivos FET.

O MOSFET

O MOSFET é um FET tipo Metal-Óxido-Semicondutor, e tornou-se muito popular ao final da década de 1970. Se comparado com o BJT, o MOS (como também é conhecido) pode ser construído com dimensões menores e seu processo de fabricação é mais simples. Além disso, funções lógicas digitais podem ser implementadas com circuitos que utilizam exclusivamente MOSFETs, ou seja, sem a necessidade de resistores ou diodos. Por essas razões, os MOSFETs são muito utilizados para fabricação de circuitos integrados (CIs).

Os dispositivos MOSFET podem ser modelados de forma muito parecida com os dispositivos BJT. Porém, a impedância de entrada é considerada infinita, pois a porta é isolada do corpo por um óxido (SiO2), daí seu nome. Na Figura 2.10 são apresentados os símbolos do

MOSFET:

Figura 2.10 - Tipos e Símbolos do MOSFET

Para que haja condução de corrente do terminal do dreno para fonte, uma tensão porta-fonte, VGS, deve ser aplicada. Assim, quando essa tensão atingir um certo valor, Vt, o

dispositivo estará apto a conduzir plenamente (um canal entre dreno e fonte será formado para passagem da corrente). Dessa forma, ao aplicar uma tensão dreno-fonte, VDS, a corrente irá fluir

pelos terminais, tendo sua intensidade controlada por VGS.

A região onde VDS < VGS – Vt é chamada de triodo. Essa região é usada quando o FET

opera como chave. Nesse tipo de operação, outra região também é utilizada: quando VGS é menor

que Vt e é conhecida como região de corte.

Na região de triodo, podemos definir a corrente de dreno por ([3], página 343):     _{− −} = ' 2 2 1 ) ( GS t DS DS n D v V v v L W k i (2.25)

Onde k representa o parâmetro de transcondutância do processo de produção do FET e _n' W e L são parâmetros construtivos do dispositivo representando, respectivamente, a largura e o comprimento do canal.

Aumentando-se a tensão vDS, a corrente de dreno praticamente se mantém constante a

partir de vDS = vGS – Vt. A corrente de dreno então satura e dizemos que essa é a região de

saturação. A tensão vDS de saturação é representada por vDS_SAT, t

GS

DS v V

v

SAT = − (2.26)

Na região de saturação, podemos escrever a corrente iD da forma ([3], página 344): 2 ' ) ( 2 1 t GS n D v V L W k i = − (2.27)

Portanto, na região de saturação, o MOSFET apresenta uma corrente de dreno cujo valor é independente da tensão vDS e é determinada pela tensão vGS. Logo, o MOSFET saturado se

comporta como uma fonte de corrente cujo valor é controlado por vGS.

A Figura 2.11 representa a curva característica do MOSFET:

Figura 2.11 - Curva Característica (iD - vDS)

Assim como no BJT, essa curva apresenta uma pequena inclinação devido ao fato de existir uma resistência de saída causada por uma variação do comprimento do canal onde passa a corrente ID.

Podemos calcular a resistência de saída, de maneira semelhante ao já apresentado para o BJT: 0 = = gs v d ds o i v r (2.28)

Para pequenos sinais, o MOSFET apresenta um parâmetro que relaciona a tensão de entrada, vgs, com a corrente de saída, id. Ele é conhecido como a transcondutância do MOSFET

ou simplesmente gm, e é definida como ([3], página 365):

gs d m v i g ≡ (2.29)

Assim, seu modelo de pequenos sinais pode ser representado de forma semelhante ao modelo π-híbrido do BJT, com a diferença que a resistência de entrada é infinita. A Figura 2.12 representa esse modelo:

Figura 2.12 - Modelos de pequenos sinais para o MOSFET

O JFET

O Transistor de Efeito de Campo de Junção, JFET, é o transistor mais simples. Possui alta impedância de entrada, porém não maior que a do MOSFET. A diferença para o MOSFET está no fato de não haver um isolante entre o terminal da porta e o corpo do dispositivo e pela tensão Vt, que no JFET é negativa.

As características corrente-tensão do JFET são idênticas às do MOSFET, exceto que o valor máximo permitido por VGS para o JFET é de 0V. Na Figura 2.13 são mostrados os símbolos

do JFET:

2.2.

Processos para as Medidas dos Parâmetros

Como já apresentado na introdução, esse projeto tem por objetivo calcular alguns parâmetros dos transistores e gerar alguns gráficos específicos. Para tal, alguns dados do transistor precisam ser medidos de alguma forma sem que haja interferência nos seus valores.

Para o BJT, são necessárias as informações de IB, VCE, IC, ib, vce e ic. Com esses dados,

pode-se calcular hFE, hfe, hoe, hie, ro e gm pelas equações obtidas na seção 2.1, repetidas abaixo por

conveniência, e traçar o gráfico de IC x VCE para diversas correntes de base, e ainda o gráfico

hFE x IC para um determinado VCE. B C DC FE

I

I

h

≡

β

=

I

V

h

h =

h

r

=

1

V

I

g =

Para o FET, são necessárias as informações de VGS, VDS, ID, vgs, vds e id. Assim pode-se

calcular a impedância de saída ro pela equação (2.28), o ganho de transcondutância gm através da

equação (2.29) e traçar o gráfico de ID x VDS para diversas tensões VGS.

Sendo assim, foram propostos dois tipos de circuitos para realizar essas medidas, um para o BJT e outro para a família FET, conforme mostrado na Figura 2.14:

Figura 2.14 - Circuitos Propostos BJT e FET

Para o BJT, temos então uma fonte de corrente controlada para IB e uma fonte de tensão

controlada para VCE. Logo, dois dos três parâmetros necessários, já são conhecidos e não

medida de corrente é algo um pouco complicado de se fazer. Para medir essa corrente, seria preciso introduzir um resistor no coletor para medir a queda de tensão nele e pela lei de Ohm calcular seu valor. Contudo, um resistor nessa posição faria com que a tensão de VCE não pudesse

ser controlada, já que não seria totalmente aplicada aos terminais de coletor e emissor do transistor. Sendo assim, foi introduzido um resistor de emissor e então, medida a corrente IE. Para

chegarmos a corrente IC, basta subtrair IE de IB, cujo valor já é conhecido, chegando assim à

última informação necessária para os cálculos.

Já no caso do FET, algo semelhante foi desenvolvido. Ao invés de uma fonte de corrente, foi projetada uma fonte de tensão controlada VGS. Temos também uma fonte de tensão controlada

VDS. Assim como para o BJT, dois parâmetros já são conhecidos, faltando somente a informação

da corrente ID. Essa corrente pode ser medida da mesma maneira que no caso do BJT, porém, não

é necessário subtrair um valor de corrente de base, visto que a corrente que passa pela fonte é a mesma que passa pelo dreno.

Agora que já são conhecidos os circuitos do BJT e do FET, segue a explicação de como as medidas deverão ser realizadas para traçar os gráficos e cálculos dos parâmetros:

Para traçar as curvas características do transistor, primeiramente devem ser selecionadas quais correntes de base (no caso de um BJT) ou quais tensões VGS (FET) serão testadas, assim

como a tensão máxima VCE ou VDS. Nesse projeto, serão testadas 8 correntes de base (ou tensões

VGS) por vez, gerando 8 curvas por gráfico com valores de VCE (VDS) de até 15V.

A primeira corrente de base (ou tensão VGS) deve ser selecionada, então a tensão VCE (ou

VDS) deve aumentar de 0V até o valor máximo escolhido. Esse aumento será divido por passos.

Serão 32 passos no total. A cada passo, será feita a medida de IE (ou IS) 60 vezes e então será

tirada a média para evitar o efeito do ruído. Esse procedimento se repetirá por mais 8 vezes, uma para cada corrente de base (ou tensão VGS). A cada mudança de corrente de base, os dados serão

enviados para o computador, para que esse possa ir realizando as contas e traçar os gráficos. Ao final das medidas, o circuito fica esperando por mais uma chamada para realizar essas ou outras medidas.

A Figura 2.15 mostra como os sinais da corrente de base ou tensão VGS e da tensão de

Figura 2.15 - IB (ou VGS) e VCE (ou VDS)

Para calcular os parâmetros hoe e ro do BJT, ou ro do FET, são aproveitados os dados dos

gráficos gerados. Como esses parâmetros estão relacionados com a inclinação das retas dos gráficos IC x VCE (BJT) ou ID x VDS (FET), vce e vds podem ser considerados, respectivamente,

como a diferença entre o último ponto da reta até o primeiro ponto da região ativa (BJT) ou saturação (FET), assim como ic e id como as variações de IC e ID para esses pontos.

Para o realizar o cálculo do hfe, hie e gm do BJT deverá ser selecionada uma tensão VCE

desejada e então o circuito deve, para cada uma das 8 correntes IB pré-selecionadas, gerar uma

variação (ib) em torno da corrente de polarização IB e medir as variações de IE correspondentes

(ie). As variações de IB são geradas ajustando uma corrente pouco acima e outra pouco abaixo do

valor de IB (essas medidas são realizadas 60 vezes e tirada a média para efeito de eliminação de

ruídos). Logo após, deve enviar os dados para o computador, que realizará as contas dos parâmetros hfe dividindo ic (que corresponde a ie subtraído de ib) por ib, gm dividindo IC (que

corresponde a IE - IB) por VT e hie dividindo hfe por gm (recém calculados) e esperar por mais

uma chamada para realizar medidas. De forma análoga ao hfe, o parâmetro gm do FET será

calculado, somente ressaltando que a variação deverá ser em torno de VGS e as correntes medidas

serão id.

Para o circuito funcionar de maneira autônoma, sem que haja intervenção manual, foi introduzido no circuito, um microcontrolador. Esse dispositivo serve para fazer o controle, alterando a configuração do hardware para realizar as medidas desejadas. O microcontrolador serve como a unidade central de processamento do equipamento e de interface entre o software e o hardware, interpretando os comandos recebidos e enviando as informações das medidas. Mais detalhes sobre o microcontrolador escolhido para o projeto, bem como seu funcionamento, serão explicados na seção 2.4.

A Figura 2.16 mostra o diagrama de blocos do equipamento:

Figura 2.16 - Diagrama de Blocos

2.3.

Circuitos

Agora que já foi discutido como as medidas devem ser realizadas, esse tópico traz o circuito projetado, separando cada parte por funções específicas e como essas partes se integram com as restantes, assim como seu funcionamento.

2.3.1. Fonte de Corrente IB

Para gerar a corrente de base IB, no caso em que o transistor em teste seja um BJT, foi

utilizado o circuito da Figura 2.17. Esse circuito é uma fonte de corrente, que tem seu valor controlado pela tensão de entrada Vbb, como será demonstrado a seguir.

Figura 2.17 - Fonte de Corrente IB

O funcionamento desta fonte de corrente é relativamente simples. A tensão nos terminais do resistor R23 são Vbb e 0V (devido à terra virtual do Amplificador Operacional). Logo uma

corrente Vbb/R23 deve passar por ele. Como o amplificador operacional tem uma impedância de

entrada idealmente infinita, a corrente deve então seguir para a base do transistor a ser testado. Logo, essa é uma fonte de corrente que depende exclusivamente da tensão de entrada Vbb

e da resistência R23 e seu valor pode ser calculado por:

23

R V

I bb

B = (2.36)

Deve-se notar que é uma fonte de corrente que funciona tanto para valores positivos quanto para valores negativos de Vbb, gerando assim correntes de base IB tanto positivas, para

dispositivos NPN, quando negativas, para dispositivos PNP. Nesse projeto, as correntes IB foram

escolhidas para alcançar desde ± 10µA até ± 5mA.

O medidor de corrente no emissor do transistor não influencia na fonte de corrente IB. Ele

está relacionado com a medida de IC e sua função será explicada mais adiante.

Também foi decidido que nesse projeto, a corrente máxima que poderá circular pelo coletor,

MÀX C

I , será de aproximadamente 100mA. Esse valor de corrente é muito maior que o suportado pela a saída do amplificador operacional, que é limitado em 25mA, logo, foi necessário acrescentar um estágio de saída que pudesse fornecer/absorver essa corrente. Com esta finalidade, foi adicionado na saída do amplificador, um par de transistores de potência mais

elevada (Q3 e Q4). Essa configuração de saída também é conhecida como push-pull. A fonte de

corrente completa está representada na Figura 2.18:

Figura 2.18 - Fonte de Corrente IB com Push-Pull

2.3.2. Fonte de Tensão Vbb

Para alimentar a Fonte de Corrente IB, uma fonte de tensão Vbb foi desenvolvida. Essa

fonte precisa gerar tensões controladas positivas e negativas para gerar as correntes IB (e no caso

do FET, tensões VGS) com os valores exatos.

Uma solução que se revela precisa, eficaz e suficientemente controlável é aquela que usa um conversor digital analógico (DAC). Trata-se de um dispositivo eletrônico que converte uma representação digital de uma quantidade, num valor analógico discreto ou, dito de outra forma, converte um código binário digital numa corrente ou tensão de saída.

Para esse projeto, foi escolhido o conversor DAC0800. Esse é um DAC de 8 bits de resolução e com saída em corrente. Ele pode ser configurado para trabalhar no modo bipolar, ou seja, com sua saída variando de valores negativos a positivos.

A entrada de valores é feita de forma paralela através da unidade de controle automático (mais a frente será explicado o seu funcionamento). Assim, fica simples enviar os dados para o DAC já que é só dizer qual o valor decimal (0 a 255) a ser utilizado e a unidade de controle enviará a palavra para a entrada dos DAC. Como a saída do DAC é em corrente e aproveitando-se do fato de possuir duas saídas complementares, um circuito foi adicionado para converter essa corrente em tensão. No próprio manual do CI é mostrado como fazer esse procedimento, que será

mostrado mais a seguir. A Figura 2.19 mostra a fonte de Tensão Vbb: B2 6 VREF(+) 14 _V- 3 THRSH CTRL VLC 1 IOUT 2 B1 5 IOUT 4 B3 7 B4 8 B5 9 B6 10 B7 11 B8 12 V+ 13 VREF(-) 15 COMP 16 DAC2 DAC0800 GROUP=DAC2 GND -18V +5V R55.6k R45.6k +18V GND 5 6 7 8 4 U1:B TL072 R8 5.6k C810n R40 5.6k +18V -18V SCK 2 SI 3 CS 1 PA0 5 PW0 6 PB0 7 DIGPOT_RB MCP41010 UC_RB UC_SO UC_SCK VSS 3 2 1 8 4 U2:A TL072 5 6 7 8 4 U2:B TL072 +18V -18V R9 12k R10 12k R11 5.6k Vb Vb X0 12 X1 13 Y0 2 Y1 1 Z0 5 Z1 3 A 11 B 10 C 9 INH 6 X 14 Y 15 Z 4 ANALOG2 4053 C JT2 JUMPER 3 2 1 8 4 U4:A TL072 R20 10k R21 22k R22 1k +18V -18V Vbb RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7

Figura 2.19 - Fonte de Tensão Vbb

Esse circuito é separado em duas partes que podem ser explicadas separadamente. A primeira parte é formada pelo DAC e pelo Amplificador Operacional U1:B.

O DAC recebe uma palavra binária da unidade de controle pelas portas B1 a B8 e gera na

saída uma corrente proporcional a esse valor e a tensão de referência (VREF = +5V nesse caso).

Com isso, o amplificador da saída consegue gerar tensões de 0V até a tensão de referência, mas para isso é necessário que a seguinte condição seja respeitada: R4 = R5 = R8.=R40, segundo o

manual do CI.

Podemos calcular o valor de Vb para cada valor enviado pela unidade de controle através

da fórmula abaixo: X V V REF b = ⋅ 255 (2.37)

Dessa forma, cada incremento de Vb valerá então: 0,0196V ≈ inc b V

Assim, o valor de Vb pode variar de 0V até 5V com incrementos de aproximadamente

20mV. Porém, com esse valor de incremento, não seria possível varrer todos os valores de corrente de base desejados para esse projeto (detalhado no módulo Fonte de Corrente IB) e

também não atinge valores negativos, para o caso de um BJT PNP.

Para dar mais mobilidade para as faixas de corrente de base, foi então colocado um potenciômetro digital na saída da fonte Vb funcionando como um divisor resistivo de tensão.

Assim pode-se dividir essa tensão em até 256 valores diferentes. Contudo, esse potenciômetro será utilizado para dividir essa tensão Vb em quatro vezes ou simplesmente deixar a tensão Vb

sem alteração, dependendo da faixa de IB que será utilizada. Se houver a divisão, o novo

incremento nessa tensão passa a ser de aproximadamente 4,9mV. Esse potenciômetro digital possui limitação de 1mA de corrente e a tensão nos seus terminais deve ficar entre 0V e 5V.

Contudo, ainda foi necessário implementar um inversor para gerar as tensões negativas de Vbb. Assim, após o potenciômetro, foi inserido um amplificador operacional configurado como

buffer e outro configurado como inversor de ganho unitário. Dessa forma, a saída do buffer é uma tensão positiva com impedância muito baixa e a saída do inversor é uma tensão negativa com impedância também muito baixa.

Para selecionar qual das duas tensões será utilizada, a unidade de controle seleciona qual saída quer utilizar através de um multiplexador (mux) analógico (ANALOG2), dependendo do tipo do dispositivo em teste que for escolhido pelo usuário. Para esse projeto foi escolhido o MC14053, que é um multiplexador analógico que possui três módulos com duas entradas para uma saída e um pino de controle para cada módulo.

Como a impedância de saída do mux é da ordem de 600Ω, foi preciso inserir um amplificador de alta impedância de entrada e baixa impedância de saída para que a corrente IB

possa ser gerada com maior precisão. O ganho desse amplificador foi ajustado em 3,3V/V para que esta fonte seja também utilizada na geração de tensão VG no teste de FET, conforme será

2.3.3. Fonte de Tensão Vcc

Para gerar as tensões aplicadas ao coletor (ou dreno) do transistor, foi utilizado o circuito da Figura 2.20:

Figura 2.20 - Fonte de Tensão Vcc

Para esse projeto, foi decidido testar os transistores com tensão máxima de coletor-emissor, VCE, ou dreno-fonte VDS (em módulo) de 15V. Isso porque, até esse valor, já se pode

tirar conclusões a respeito do comportamento do transistor em teste e também porque a saída máxima do amplificador operacional de saída começa a ser limitada por sua alimentação (18V).

O circuito gerador de VCC pode ser divido em duas partes e explicadas separadamente. A

primeira delas, que é formada por um DAC e um Amplificador Operacional, é bem similar à primeira parte do gerador de Vbb. Porém, existem algumas diferenças. A primeira é que a tensão

de referência VREF para esse caso é de +18V e a segunda diferença, que é fundamental é: essa

parte está configurada para operar de maneira bipolar, ou seja, com tensões positivas e negativas. O DAC recebe uma palavra de 8 bits da unidade de controle e gera na saída uma corrente proporcional a esse valor e a tensão de referência VREF. A saída é complementar, IOUTe IOUT .

(0 na entrada do DAC) e +15V (255 na entrada do DAC), mas para isso se faz necessário que R2 = R3 e R6 = R7 . Essa tensão de saída (VC) pode ser calculada pela fórmula (2.38) que se

encontra no próprio manual do CI:

     − ₊ ⋅ = 256 2 256 255 2 6 X R R V V_{C REF} (2.38)

Onde X representa o código enviado pela unidade de controle.

Dessa forma, cada incremento na tensão poderá ser calculado pela diferença do resultado da fórmula acima para dois valores consecutivos de X, e que será de aproximadamente:

0,118V ≈

inc C

V

Porém, para traçar as curvas características do transistor, é preciso que este passe pelas três regiões: corte, saturação e região ativa. Para isso é preciso que algumas condições sejam satisfeitas. Desta forma, como a base do transistor em teste está com potencial de terra, 0V, e a tensão de coletor nunca ficaria em um nível para polarizar a junção base-coletor diretamente, requisito para o transistor entrar no modo de saturação. Por esse motivo, a segunda parte do gerador de VCC, é formada por um somador que adiciona a tensão desejada para o coletor (no

caso, VC) com a tensão de emissor (VE). Como a tensão de emissor está por volta de -VBE (devido

ao terra virtual da base do transistor), a tensão de coletor vai estar polarizando diretamente a junção enquanto a tensão VC não for maior que VBE. Assim o transistor passar pelas três regiões e

as curvas são traçadas perfeitamente.

Com esta alteração, a tensão VCE efetivamente aplicada ao transistor BJT em teste será o

valor da tensão de saída da fonte de tensão VC, definida pela unidade de controle, conforme

indicado pela equação (2.39):

C CE E CC E C CC V V V V V V V = = − + = (2.39)

Como dito anteriormente, a corrente máxima que deve circular pelo transistor deve ser da ordem de 100mA, sendo assim, também se fez necessária a utilização da configuração push-pull na saída do gerador de VC.

2.3.4. Fonte de Tensão VG

Para gerar a tensão VG, no caso do transistor em teste ser um FET, foi projetado o circuito

da Figura 2.21:

Figura 2.21 - Gerador de VG

Para traçar as curvas do FET, diferente do BJT, é preciso colocar uma tensão na Porta, ao invés de uma corrente na Base. Porém, ao colocar uma tensão na Porta, não é possível garantir uma tensão VGS constante, pois quando a corrente de Dreno passar pelo medidor de corrente ID

(representado ainda por um amperímetro), a tensão da Fonte (VS) ficará com valor desconhecido,

pois depende dessa corrente. Para garantir que a tensão VGS continue constante durante as

medidas e que essa também seja conhecida, foi necessário projetar um circuito somador não inversor, que então some a tensão de entrada (Vbb) e a da Fonte (VS).

Assim, a tensão VGS efetivamente aplicada ao FET em teste será o valor da tensão de

saída da fonte de tensão Vbb, definida pela unidade de controle, como mostrado na

equação (2.40): bb S S bb S G GS S bb G V V V V V V V V V V = − + = − = + = (2.40)

2.3.5. Medidor de Corrente IE

Para realizar a medida de IE, foi preciso arranjar uma maneira de transformar essa corrente

em tensão, para que pudesse ser medida pelo conversor analógico-digital (ADC) do microcontrolador.

Dessa forma, foi decido pela introdução de um resistor no emissor para então, medirmos a queda de tensão nele, VRE, e pela lei de Ohm calcular a corrente que o atravessa, IE. Porém, RE

pode influenciar diretamente nas curvas do transistor. RE deve ser pequeno o suficiente para não

ter uma queda de tensão muito grande, a ponto atrapalhar as curvas características, e também deve ser grande o suficiente para que VRE possa ser medida pelo ADC.

Foi projetado então um amplificador de instrumentação de ganho variável, utilizando um potenciômetro digital para variar este ganho. Depois de alguns testes, RE, foi escolhido com a

resistência de 10Ω, pois assim, a queda de tensão máxima seria de aproximadamente 1V, já que a corrente máxima estipulada que o atravessaria seria 100mA.

Porém, como já foi explicado anteriormente, o potenciômetro digital não funciona com tensões negativas nem com tensões acima de 5V. Então foi necessário projetar um circuito que pudesse então só enviar para o amplificador de instrumentação tensões positivas.

A Figura 2.22 mostra como ficou essa parte do circuito:

3 2 1 8 4 U5:A TL072 5 6 7 8 4 U5:B TL072 R25 10k R26 10k R27 4.7k -18V +18V 3 2 1 8 4 U6:A TL072 5 6 7 8 4 U6:B TL072 R28 10k R29 10k R30 4.7k +18V -18V Q_TESTE R24 10 JP1 Vcc JP2 X0 12 X1 13 Y0 2 Y1 1 Z0 5 Z1 3 A 11 B 10 C 9 INH 6 X 14 Y 15 Z 4 ANALOG2 4053 C AB VRE+

Esse primeiro estágio possui uma impedância de entrada muito alta, assim não influenciando o circuito de teste. Ele conta com dois buffers de entrada e logo após amplificadores inversores de ganho unitário. A escolha de qual tensão será utilizada é decidida pelo pela unidade de controle da mesma forma que foi feito para o gerador de Vbb, utilizando as

outras portas do mux analógico.

A segunda parte do circuito é de fato o amplificador de instrumentação, mostrado na Figura 2.23: SCK 2 SI 3 CS 1 PA0 5 PW0 6 PB0 7 DIGPOT_RE MCP41010 3 2 1 8 4 U7:A TL072 5 6 7 8 4 U7:B TL072 R31 12k R32 12k UC_SCK UC_SO UC_RC VRE-VRE+ -18V +18V 3 2 1 8 4 U8:A TL072 5 6 7 8 4 U8:B TL072 R33 12k R34 12k R35 12k R36 12k +18V -18V VR VRC VR-R37 12k R38 12k R39 5.6k X0 12 X1 13 Y0 2 Y1 1 Z0 5 Z1 3 A 11 B 10 C 9 INH 6 X 14 Y 15 Z 4 ANALOG1 MC14053 AB D1 1N4148 D2 1N4148 VDD ADC

Figura 2.23 - Amplificador de Instrumentação para medida da queda de tensão em RE

O amplificador de instrumentação foi escolhido por ter uma impedância de entrada muito alta (teoricamente infinita), evitando a atenuação de sinal na saída do mux (VRE+ e VRE-) e

também por ter um fácil ajuste de ganho, pela variação do potenciômetro digital. O ganho pode ser calculado pela expressão (2.41):

) ( 2 33 34 _ _ 31 + −− ⋅ + = _{RE RE} RE DIGPOT RE DIGPOT R V V R R R R R V (2.41)

A expressão (2.41) é valida se: R31 = R32, R33 = R35 e R34 = R36.

Dessa forma, podemos calcular qual será o ganho mínimo desse amplificador, que acontecerá quando o potenciômetro estiver com seu valor máximo: 10kΩ:

) ( 5 , 2 ) ( 12 12 10 10 12 2 ' + − + −− ≈ ⋅ − Ω Ω ⋅ Ω Ω + Ω ⋅ = RE RE RE RE R V V V V k k k k k V

O ganho desse amplificador será definido no primeiro instante da realização das medidas. Uma vez escolhidas a faixa de corrente de base (ou tensões VGS) e tensão máxima VCE (VDS) que

serão utilizadas, a unidade de controle fará um teste para ajustar o maior ganho (através da variação do potenciômetro digital) que faça a tensão de saída VR se aproximar de 5V (limite do

ADC). Assim a resolução da medida maximizará.

Um módulo inversor de ganho unitário foi introduzido na saída, para gerar a tensão VR-.

Pois em alguns casos a tensão de saída do amplificador de instrumentação será negativa, sendo necessário transformá-la em positiva devido ao funcionamento do ADC. A escolha de qual tensão utilizar, VR ou VR-, será feita por outro multiplexador analógico (ANALOG1).

Para garantir que nenhuma tensão muito maior que 5V ou muito menor que 0V chegue ao pino do ADC, foi colocado na saída do mux um par de diodos. Assim, qualquer tensão maior que aproximadamente 5,6V será limitada pela a fonte de +5V e qualquer tensão menor que aproximadamente -0.6V será absorvida para a terra.

Uma figura com o circuito completo, com todos esses módulos interligados, está ao final do documento, no anexo I.

2.3.6. Fonte de Alimentação

Para alimentar o circuito com todos os níveis de tensões exigidos, foi preciso projetar uma fonte de alimentação com quatro tensões de saída diferentes. Os amplificadores operacionais utilizam fontes simétricas de +18VDC e -18VDC. O multiplexador analógico utiliza fontes

simétricas de +5VDC e -5VDC. Os DACs utilizam +5VDC, +18VDC e -18VDC. Os demais circuitos

integrados utilizam +5VDC.

Assim, foi montada uma fonte que atendesse a esses requisitos. A Figura 2.24 mostra o circuito:

Figura 2.24 - Fonte de Alimentação

O projeto é bem simples devido à utilização de circuitos integrados reguladores de tensão. Esses reguladores funcionam com tensões de entrada não reguladas até o valor máximo de |35V| para Vo de 5V a 18V e suportam mais de 1A de corrente contínua. Para atingir esses valores, foi

utilizado um transformador de 110/220V para 18+18V, 2A. Esse transformador tem uma tensão de saída pico-a-pico de 18 ⋅ 2, que é aproximadamente 25V. Após o transformador, foi colocada uma ponte de diodos para retificar o sinal e logo após um capacitor de 2200µF 40V para filtrar a tensão. Porém essa configuração possui um pequeno ripple que e os reguladores conseguem “retirar” e acertar a tensão de saída para os valores desejados sem oscilações.

2.4.

Microcontrolador

Para fazer o papel de unidade de controle automático nesse projeto foi escolhido um microcontrolador da família PIC, o PIC16F877A. Ele é um microcontrolador da família de 8 bits e núcleo de 14 bits fabricado pela Microchip Technology. Possui memória Flash de programa com 8192 palavras de 14 bits, memória RAM com 368 Bytes e memória EEPROM com 256 Bytes. Possui 5 portas de entrada e saída: uma de 5 pinos (PORTA), três de 8 pinos (PORTB, PORTC e PORTD) e uma de 3 pinos (PORTE). Sua freqüência de operação vai até 20MHz, resultando em uma velocidade de processamento de 5 MIPS. Seu conjunto de instruções RISC se

compõe de 35 instruções. Pode funcionar com alimentação de 2V a 5,5V. Nesse projeto foi utilizada a freqüência de operação de 4MHz, gerado por um cristal externo e foi utilizada a tensão de alimentação de 5V.

O PIC16F877A possui um conjunto de periféricos muito interessantes:
Um conversor Analógico-Digital de 10 bits com 8 entradas multiplexadas
Três timers (um de 8 bits e dois de 16 bits)

Comparadores Analógicos
USART

Controladores de comunicação MSSP (I2C e SPI)
Controladores PWM

Watchdog timer

Detectores de falha na alimentação

Figura 2.25 - Diagrama de Pinos do PIC16F877/ PIC16F877A

O PIC pode ser programado em linguagem mnemônica (assembly) ou utilizando-se compiladores de linguagem de alto nível (Pascal, C, Basic) que geram um código binário que é gravado na memória de programa desses microcontroladores. Para tal procedimento, utiliza-se um dispositivo especial (gravador) acoplado a um PC. Como ferramentas de desenvolvimento,

encontram-se disponíveis: gravadores, depuradores, emuladores, placas de protótipos, etc. Foi utilizada a linguagem C para programar o PIC, utilizando o compilador PICC e para transferir o arquivo binário para PIC, foi utilizado o MPLab. O gravador utilizado foi o McPlus, da Labtools, que é um gravador de baixo custo e capaz de gravar várias famílias de PIC’s.

De seus 5 conjuntos de portas disponíveis, foram utilizados integralmente dois, para acoplar conversores Digitais-Analógico. Outras portas foram utilizadas como: um pino para entrada do ADC, dois pinos para interface de comunicação serial (RS232) e quatro pinos para a interface SPI. Foram também utilizados mais dois pinos para controles do hardware, num total de 25 pinos de entrada e saída utilizados do PIC.

Comunicação com a Porta Serial:

Para fazer a comunicação entre o software e o hardware, foi utilizada a porta serial do computador. Para o PIC poder entender os dados recebidos pela porta serial e vice-versa, foi utilizado o circuito integrado MAX232, que é um conversor de sinais RS232/TTL. Na Figura 2.26 podemos ver como foi realizada a montagem desta parte do circuito ([4], página 20):

Figura 2.26 - PIC e a ligação com a Porta Serial

Conversor Analógico-Digital (ADC):

O fato de possuir conversor Analógico-Digital interno foi um dos fatores determinantes para a escolha do PIC16F877A, pois assim não foi preciso adicionar mais um módulo ao circuito principal, deixando-o mais simples. Ele foi utilizado para representar, de maneira digital, as

tensões dos pontos importantes do circuito, de onde saíram as principais informações sobre o transistor em teste para serem processadas posteriormente no software.

O conversor interno possui 8 canais (AN0...AN7) com 10 bits de resolução cada. Por software, podem-se escolher quais canais utilizar, deixando assim, os outros pinos livres para outras aplicações.

Para que o conversor possa gerar uma representação digital de uma tensão, é preciso que ele tenha uma tensão de referência. Essa tensão representa o valor máximo de entrada, ou seja, no conversor, quando a tensão de entrada coincidir com a tensão de referência, a saída do conversor terá todos os seus bits iguais a 1. No caso do PIC, a tensão de referência pode ser a tesão de alimentação do PIC ou então, uma outra qualquer, colocada nos pinos Vref+ e Vref- contanto que

estejam no intervalo de 0 a 5V. Nesse projeto, foi utilizada a tensão de alimentação do PIC como referência. A Tabela 2 mostra todas as configurações possíveis dos pinos do ADC do PIC16F877A ([4], página 209):

Tabela 2 - Configurações do ADC

Pela sua natureza, um ADC introduz um erro de quantificação, que representa a informação que é perdida. Para um sinal contínuo existe um número infinito de tensões, mas um número finito de valores convertidos pelo ADC. O aumento da resolução diminui a informação perdida devido a erros de quantificação.

Figura 2.27 - Conversão Analógica-Digital

Como o conversor do PIC possui 10 bits, sua saída pode variar de 0 até 1023 (210 = 1024 valores), onde 0 (0000000000) representa ‘0 Volts’ e 1023 (1111111111) representa ‘5 Volts’. Dessa maneira podemos calcular qual a sua resolução:

V V R 0,00489 1023 5 ≈ =

Ou seja, cara incremento no vetor de saída do ADC vale aproximadamente 5mV, em outras palavras, o ADC é sensível a mudanças de tensão de 5mV na sua entrada.

Interface SPI:

Outra característica muito importante desse PIC é que ele possui uma interface SPI, que é um protocolo de comunicação que foi utilizado para o microcontrolador se comunicar e controlar o valor da resistência de dois potenciômetros digitais.

SPI é um protocolo síncrono de comunicação serial que opera em Full-Duplex, os dispositivos se comunicam de maneira mestre-escravo onde o dispositivo mestre inicia a comunicação. Múltiplos escravos podem ser adicionados na comunicação, cada um com sua própria linha de seleção (chip select). Esse protocolo utiliza apenas três fios para que a comunicação aconteça, um de clock, um de dados e um chip select para cada dispositivo escravo.

Nesse projeto, o dispositivo mestre é o microcontrolador e os escravos são os potenciômetros digitais.

Os potenciômetros digitais escolhidos para esse projeto foram do modelo MCP41010, que são potenciômetros de 10kΩ e 8 bits de resolução. Logo, esses potenciômetros podem variar sua resistência em 256 valores diferentes. Para cada dispositivo, podemos calcular o valor de suas

duas resistências RA e RB da forma: 256 256 10 n A D k R = Ω − e 256 10 n B D k R = Ω

Onde Dn é o valor decimal enviado pelo microcontrolador.

Também podemos saber o valor de cada incremento da resistência de cada um desses resistores: Ω ≈ Ω = 0,039k 255 10k RINC

Ou seja, cada incremento da resistência vale aproximadamente 39Ω. A Figura 2.28 mostra a maneira como o potenciômetro foi ligado ao microcontrolador:

Figura 2.28 - Potenciômetro Digital com Microcontrolador

2.5.

Software

Esse tópico discutirá como o software foi implementado, assim como todas as características pertinentes ao seu funcionamento. Serão apresentadas todas as telas do programa, suas funções específicas e como foram construídas. Também será discutido o protocolo de comunicação entre o software e o hardware.

A Figura 2.29 ilustra a tela inicial do programa. Essa é também a tela principal, onde os parâmetros iniciais são escolhidos pelo usuário para início das medidas das características do transistor.

Figura 2.29 - Tela Inicial do Software

Nessa tela também será traçado o gráfico principal do equipamento - “Curvas características do Transistor”: IC x VCE ou ID x VDS - e de onde se pode escolher visualizar outras

telas com outros gráficos ou parâmetros.

Escolha dos Parâmetros Iniciais

Para o começo das medidas, o usuário deverá primeiramente selecionar qual tipo de transistor será testado, podendo este ser um BJT NPN ou PNP, MOSFET ou JFET canal N ou canal P.

Logo após, deverá escolher a tensão máxima de VCE, no caso de um BJT ou VDS no caso

de um FET. Essa tensão pode ser de 3,7V, 7,4V, 11V ou 15V.

Depois de escolher a tensão máxima de coletor, a caixa de seleção (“combo box”) da escolha da faixa de corrente de base (IB) ou faixa de tensão VGS será liberada, dependendo do tipo

Agora, o usuário deve escolher qual a faixa de corrente de base ou tensão VGS quer

utilizar para realizar as medidas. Cada uma delas será dividida em oito partes, sendo os valores reais muito próximos ao mínimo e ao máximo dos limites da faixa escolhida.

A partir daí, o programa enviará para o circuito, através da porta serial, os dados de acordo com a escolha do usuário e ficará aguardando a resposta para poder traçar os gráficos e calcular os parâmetros.

Comunicação (Protocolo utilizado)

Como já explicado nos tópicos anteriores, a comunicação software-hardware se dará através da porta serial (RS-232) do computador. Ao iniciar o programa, o usuário deverá informar qual porta serial será utilizada.

Figura 2.30 - Escolha da Porta Serial

Para que a comunicação aconteça, alguns parâmetros da porta serial devem ser configurados de forma idêntica dos dois lados. Para isso, foram escolhidas as seguintes configurações:

Taxa de transferência (baud rate): 9600 bps
Bit de paridade: Não

Bits de dados: 8
Stop Bit: 1

Ainda assim, foi preciso criar um protocolo de comunicação para que cada parte do equipamento interprete os comandos de controle perfeitamente. Esse protocolo que gerencia a comunicação será baseado em strings de comandos.

Dados enviados

Assim que todos os parâmetros iniciais forem escolhidos, o programa enviará para o circuito uma string com cinco caracteres. O primeiro caractere representa o tipo de string e dependendo desse caractere, os seguintes terão significados diferentes. A Tabela 3 mostra como podem ser formadas as strings de comando:

1° caractere 2° caractere 3° caractere 4° caractere 5° caractere

R Tipo de transistor Faixa de corrente Tensão máxima de VCE Fim de linha

R Tipo de transistor Faixa de tensão Tensão máxima de VDS Fim de linha

H Tipo de transistor Faixa de corrente Tensão VCE definida Fim de linha

H Tipo de transistor Faixa de tensão Tensão VDS definida Fim de linha

Tabela 3 - String de Comando Enviada

O primeiro caractere, que representa o tipo de string, pode ser de dois tipos diferentes: ‘H’ ou ‘R’. Através desse caractere, o PIC escolherá qual tipo de configuração deverá fazer no circuito e quais medidas realizar. Se for ‘R’, serão feitas as medidas principais, se for ‘H’, fará as medidas relativas à obtenção do parâmetro hfe (para o BJT) ou gm (para o FET).

O segundo caractere é um algarismo que representa o tipo de transistor, esse algarismo é o índice da “combo box” da escolha do transistor e pode variar de 0 a 5. A Tabela 4 mostra a relação entre o índice e o tipo de transistor:

Índice 2° caractere 0 BJT NPN 1 BJT PNP 2 MOSFET Canal N 3 MOSFET Canal P 4 JFET Canal N 5 JFET Canal P

Tabela 4 - Tipo de Transistor

O terceiro caractere representa a faixa de corrente de base ou tensão VGS escolhida para